周正干  孫廣開

北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院

0  前言

世界無損檢測大會（WCNDT）每四年召開一次，反映了世界無損檢測技術(shù)與設(shè)備最新研究、應(yīng)用進(jìn)展和發(fā)展趨勢。2016年6月，第19屆世界無損檢測大會在德國慕尼黑召開，有來自46個(gè)國家和地區(qū)的近2200名代表參加，宣讀和交流學(xué)術(shù)論文1000余篇[1]，報(bào)道了聲、光、電、磁等多類檢測方法的新進(jìn)展，新型的傳感技術(shù)與器件，檢測圖像與信號處理方法，以及復(fù)合材料、焊縫、管道、核壓力容器等材料與結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)及應(yīng)用。

大會報(bào)告按檢測技術(shù)類型和應(yīng)用領(lǐng)域共分144個(gè)專題進(jìn)行分類報(bào)道[1]。在專項(xiàng)技術(shù)方面，大會報(bào)告專題涵蓋了聲發(fā)射技術(shù)、超聲技術(shù)、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)、紅外熱像技術(shù)、磁與滲透技術(shù)、微波及太赫茲技術(shù)、金屬磁記憶技術(shù)、共振技術(shù)，以及聲學(xué)非線性技術(shù)和機(jī)器人輔助檢測技術(shù)等。在行業(yè)應(yīng)用方面，涵蓋了航空工程、船舶、鐵路、汽車、核能工程、油氣管道、土木工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的最新研究與應(yīng)用進(jìn)展。

本文簡要分析本次大會報(bào)告呈現(xiàn)的世界無損檢測技術(shù)研究與應(yīng)用的新進(jìn)展，淺要探討無損檢測技術(shù)的發(fā)展方向，需要進(jìn)一步研究的若干問題，以及未來發(fā)展的新機(jī)遇。

1  無損檢測技術(shù)方法研究的新進(jìn)展

1.1  聲學(xué)檢測方法

（1）超聲波檢測方法

超聲相控陣技術(shù)、非接觸超聲技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)是主要研究報(bào)道的技術(shù)方法。在超聲相控陣技術(shù)方面，法國的CHAUVEAU等[2]報(bào)道了一種新型的超聲相控陣專用校準(zhǔn)試塊，能夠滿足超聲相控陣檢測的聲速測量、聲束指向性及靈敏度測量和DAC曲線測量等校準(zhǔn)要求，具有更高的校準(zhǔn)功能集成度和工藝效率。

HARRICH等[3]提出了一種基于正弦波激勵信號和組合延遲法則的FAAST超聲相控陣快速掃描技術(shù)（如圖1），該技術(shù)根據(jù)被檢工件掃描范圍和檢測要求生成合成聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦方案，基于延遲法則計(jì)算出陣列超聲換能器各陣元的正弦波激勵信號組合調(diào)制方式，通過一次發(fā)射正弦波激勵信號并采集成像實(shí)現(xiàn)被檢工件的掃描檢測，能夠顯著提高超聲相控陣技術(shù)的檢測效率；ROBERT等[4]提出了一種基于全矩陣數(shù)據(jù)的自適應(yīng)超聲相控陣成像方法（ATFM），利用基于全聚焦成像的輪廓提取算法和基于相關(guān)運(yùn)算的聚焦法則自動計(jì)算算法建立檢測方案，可實(shí)時(shí)獲取復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量檢測圖像。

德國的OBERD?RFER等[5]提出了采用超聲相控陣技術(shù)量化缺陷尺寸的DAC曲線簡化計(jì)算方法，大幅降低了超聲相控陣DAC曲線計(jì)算復(fù)雜度和參數(shù)設(shè)置耗時(shí)；WALTER等[6]研制出一種基于PMN-PT復(fù)合材料的超聲相控陣換能器，與PZT相控陣換能器相比具有更高的靈敏度和更寬的頻帶范圍；SCHMITTE等[7]研制了一種內(nèi)置TFM算法的超聲相控陣檢測儀器（如圖2），該儀器的內(nèi)置算法能夠支持不同類型的耦合劑/工件界面（如管材的曲面界面等），在各向異性材料的檢測算法中引入了聲速的方向變化特性，并采用GPU加速技術(shù)大幅減小了TFM算法的圖像重構(gòu)耗時(shí)；DEUTSCH等[8]提出了一種基于全聚焦方法和聲波模式轉(zhuǎn)換的多波模式組合全聚焦成像檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)缺陷的高精度檢測。

加拿大的GROTENHUIS等[9]介紹了其團(tuán)隊(duì)研制的內(nèi)置全矩陣數(shù)據(jù)算法的超聲相控陣檢測儀器，該儀器經(jīng)過六年的改進(jìn)具有良好的檢測性能和高魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)各種幾何結(jié)構(gòu)的三維成像；DEVOS等[10]研制出一種半柔性的矩陣陣列超聲換能器，以提高新一代核電站大型整體轉(zhuǎn)軸鍛件各類缺陷的檢出率、可靠性和檢測效率。

中國的ZHOU等[11]基于超聲相控陣的全矩陣數(shù)據(jù)方法提出了一種針對非平面界面的后處理成像校正算法和參量優(yōu)化方法，顯著提高了曲型結(jié)構(gòu)缺陷的檢測分辨力和表征準(zhǔn)確度。

圖1  FAAST超聲相控陣快速掃描技術(shù)

圖2  基于TFM算法和GPU加速技術(shù)的超聲相控陣檢測

非接觸超聲技術(shù)的研究主要包括激光超聲技術(shù)和空氣耦合超聲技術(shù)。在激光超聲技術(shù)方面，澳大利亞的ROITHER等[12]報(bào)道了利用激光超聲技術(shù)在線實(shí)時(shí)檢測鋁材鑄造缺陷的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過合成孔徑聚焦方法得到鋁板鍛造裂紋的激光超聲檢測圖像。

德國的KRIX等[13]實(shí)驗(yàn)研究了高溫狀態(tài)下熱軋鋼材料均勻性的激光蘭姆波在線實(shí)時(shí)檢測方法。西班牙的CUEVAS等[14]報(bào)道了基于關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)的新型激光超聲檢測系統(tǒng)（如圖3），該系統(tǒng)在大型復(fù)雜型面構(gòu)件的自動掃描檢測方面，相比通常采用的手動檢測方法和液浸式超聲C掃描系統(tǒng)具有更高的型面適應(yīng)性、掃描效率和重復(fù)一致性。

日本的HAYASHI等[15]在激光掃描蘭姆波成像方法的基礎(chǔ)上采用激光干涉測量裝置建立了激光激勵、激光探測的激光掃描成像系統(tǒng)，并提出了一種基于高重復(fù)頻率光纖脈沖激光器的低頻窄帶Tone-burst超聲蘭姆波信號激勵方法，提高了激光蘭姆波信號的幅度和信噪比。

臺灣的WU和日本的KOBAYASHI等[16]提出了一種基于激光掃描蘭姆波成像原理和柔性超聲換能器的激光超聲檢測方法，在曲面結(jié)構(gòu)（如管材）的無損檢測中具有更好的適應(yīng)性；TSENG等[17]提出了利用激光掃描蘭姆波成像方法反演重建被測結(jié)構(gòu)全范圍材料參數(shù)（如厚度、楊氏模量、泊松比等）的技術(shù)方法。

德國的KELKEL等[18]提出了一種利用激光激勵和探測超聲導(dǎo)波檢測纖維增強(qiáng)復(fù)合材料缺陷的新方法（如圖4），該方法采用了脈沖激光波長調(diào)制、脈沖時(shí)間調(diào)制和激光線源陣列空間調(diào)制三種技術(shù)，能夠在復(fù)合材料中選擇性地激勵不同模態(tài)的超聲導(dǎo)波，顯著提高超聲導(dǎo)波信號的幅度和信噪比。

中國的ZHOU等[19]提出了一種基于合成孔徑算法的攪拌摩擦焊激光超聲在線實(shí)時(shí)檢測方法。

圖3  基于關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)的新型激光超聲檢測系統(tǒng)

圖4  基于激光激勵和探測方法的復(fù)合材料超聲導(dǎo)波檢測

 在空氣耦合超聲技術(shù)方面，西班牙的CUEVAS等[14]報(bào)道了基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的新型空氣耦合超聲C掃描系統(tǒng)及其在飛機(jī)大型復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測中的應(yīng)用（如圖5）。

德國的SCHADOW等[20]報(bào)道了一種基于鐵電駐極體技術(shù)的新型聚焦空氣耦合超聲換能器，該技術(shù)采用具有鐵電和壓電特性以及低楊氏模量、低密度、低聲速性質(zhì)的多孔聚丙烯材料取代了通常采用的固/氣匹配層，具有更高的橫向分辨力和良好的信噪比。

HUBER等[21]將空氣耦合超聲蘭姆波檢測技術(shù)和關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來（如圖6），實(shí)現(xiàn)了航空航天復(fù)合材料柱體結(jié)構(gòu)的空氣耦合超聲同側(cè)仿形掃描成像檢測；HILLGER等[22]報(bào)道了目前世界上最大的空氣耦合超聲C掃描系統(tǒng)的技術(shù)框架和性能參數(shù)（系統(tǒng)示意圖如圖7），并開發(fā)出大型的八通道空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)，以提高航空航天大型復(fù)合材料構(gòu)件的檢測效率。

圖5  基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的新型空氣耦合超聲C掃描系統(tǒng)

圖6  航空航天復(fù)合材料的空氣耦合超聲同側(cè)仿形掃描檢測

在超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)方面，美國的ROBERTS等[23]提出了一種基于多模態(tài)導(dǎo)波場測量、信號處理和波場時(shí)空域傅立葉分析方法的高頻導(dǎo)波檢測多模態(tài)頻散效應(yīng)補(bǔ)償方法，該方法能夠定征缺陷反射高頻導(dǎo)波信號的各模態(tài)成分，有效提取表征缺陷位置信息的高頻單模導(dǎo)波信號，將超聲導(dǎo)波檢測的可選

頻率范圍提高到常用的超聲體波檢測的相對高頻范圍，顯著提高了超聲導(dǎo)波技術(shù)的缺陷分辨力和定位準(zhǔn)確度。伊朗的HONARVAR等[24]報(bào)道了根據(jù)超聲蘭姆波散射特性對板材圓形通孔缺陷進(jìn)行定量檢測的研究新進(jìn)展，為基于超聲導(dǎo)波技術(shù)的缺陷定量檢測方法提供了參考。

中國的WANG等[25]報(bào)道了利用超聲蘭姆波在線性條件下的反射、衰減幅度變化和非線性條件下的聲波頻率變化（產(chǎn)生高次諧波）表征結(jié)構(gòu)中的大尺寸裂紋和具有“呼吸”特征的疲勞裂紋的理論分析結(jié)果，為超聲蘭姆波技術(shù)在大型結(jié)構(gòu)難達(dá)區(qū)域快速檢測、監(jiān)測和早期裂紋診斷中的應(yīng)用提供了參考。

圖7  目前世界上最大的空氣耦合超聲C掃描系統(tǒng)

（2）聲學(xué)非線性檢測方法

在聲學(xué)非線性檢測技術(shù)方面，德國的SOLODOV[26]提出了一種基于缺陷受激共振原理的聲學(xué)非線性信號放大方法，可提高基頻聲信號在缺陷區(qū)域的非線性頻率成分轉(zhuǎn)化率，進(jìn)而有利于實(shí)現(xiàn)缺陷的高靈敏度檢測。韓國的CHOI等[27]報(bào)道了利用聲學(xué)非線性和聲速參量評估材料彈性常數(shù)的方法。中國的LI等[28]報(bào)道了利用超聲非線性表征熱軋銅材微觀結(jié)構(gòu)演變的方法。

（3）聲共振檢測方法

在聲共振檢測技術(shù)方面，德國的SOLODOV[29]、GULNIZKIJ等[30]報(bào)道了一種基于超聲激勵、缺陷受激共振響應(yīng)和超聲、鎖相紅外、激光散斑成像技術(shù)的結(jié)構(gòu)缺陷聲共振檢測方法（LDR，Local Defect Resonance），該方法能夠在相對小功率超聲選頻激勵信號作用下利用結(jié)構(gòu)缺陷受激共振效應(yīng)產(chǎn)生的頻率相關(guān)“倍增”聲幅、熱幅和形變量重建缺陷圖像（如圖8），為超聲成像和聲熱、聲光成像提供了新方法；RAHAMMER等[31]報(bào)道了一種基于共線點(diǎn)源干涉激勵聲波的LDR特征信號增強(qiáng)方法，能夠顯著增強(qiáng)指定結(jié)構(gòu)區(qū)域的超聲導(dǎo)波能量，進(jìn)而提高缺陷受激共振的聲、熱響應(yīng)信號幅度。

圖8  基于缺陷受激共振效應(yīng)的超聲、聲熱、聲光成像

（4）聲發(fā)射檢測方法

在聲發(fā)射檢測技術(shù)方面，捷克的MAZAL等[32]報(bào)道了氣壓缸損傷的聲發(fā)射檢測方法，實(shí)驗(yàn)觀測到氣壓缸人工損傷導(dǎo)致的聲發(fā)射特征信號，驗(yàn)證了方法的可行性。匈牙利的POR等[33]報(bào)道了采用聲發(fā)射方法監(jiān)測鐵磁性鋼鐵材料熱處理和拉力試驗(yàn)過程的實(shí)驗(yàn)研究，得到了鋼鐵材料加熱、冷卻處理和拉力變化情況下的聲發(fā)射信號特征變化，初步驗(yàn)證了利用聲發(fā)射方法長期實(shí)時(shí)監(jiān)測鐵磁性鋼鐵材料受熱、力載荷作用產(chǎn)生細(xì)觀特征變化的可行性。

德國的ZIELKE等[34]報(bào)道了采用空氣反應(yīng)釬焊技術(shù)焊接陶瓷/金屬結(jié)構(gòu)時(shí)在熔融和冷卻過程中產(chǎn)生的裂紋的聲發(fā)射檢測方法。俄羅斯的ZOTOV等[35]報(bào)道了壓力容器殼體不同時(shí)期分層的聲發(fā)射檢測方法，驗(yàn)證了利用聲發(fā)射方法診斷壓力容器殼體早期分層的技術(shù)可行性，并提出了提高檢測效率的技術(shù)方法。

1.2  射線檢測方法

在射線檢測技術(shù)方面，德國的KRAEMER等[36]提出了一種基于二維投影集合迭代評價(jià)與掃描參量修正的射線CT（Computed Tomography）圖像質(zhì)量優(yōu)化方法，這種方法在實(shí)際檢測前預(yù)先采集少量投影圖并評價(jià)其質(zhì)量，根據(jù)投影的評價(jià)數(shù)據(jù)修正掃描參量，通過迭代優(yōu)化掃描參量提高CT圖像質(zhì)量和檢測準(zhǔn)確度。

中國的HU等[37]利用450kV的小焦點(diǎn)X射線源和大尺寸、不定形硅陣探測器研制出具有X射線數(shù)字成像和計(jì)算機(jī)層析成像功能的在線工業(yè)射線CT檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨力的缺陷檢測和構(gòu)件尺寸測量。

1.3  光、熱學(xué)檢測方法

激光散斑技術(shù)和紅外熱像技術(shù)是主要研究報(bào)道的技術(shù)方法。

在激光散斑檢測技術(shù)方面，俄羅斯的GORKUNOV等[38]報(bào)道了一種利用不同時(shí)刻激光散斑圖相關(guān)系數(shù)表征結(jié)構(gòu)微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展過程的方法，為激光散斑技術(shù)在結(jié)構(gòu)裂紋在線實(shí)時(shí)檢測與監(jiān)測中的應(yīng)用提供了參考。

在紅外熱成像檢測技術(shù)方面，韓國的HUR等[39]發(fā)展了一種應(yīng)用于多晶片堆疊半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)軸向熱點(diǎn)位置檢測的紅外線共焦顯微鏡。德國的JELINEK等[40]報(bào)道了CFRP復(fù)合材料與金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)典型缺陷紅外熱成像檢測裝置與方法的參量化研究，建立的紅外檢測參量數(shù)據(jù)庫為復(fù)合結(jié)構(gòu)分層、脫粘等缺陷的紅外熱成像檢測提供了參數(shù)選擇依據(jù)。

1.4  電、磁學(xué)檢測方法

太赫茲技術(shù)、金屬磁記憶技術(shù)、渦流技術(shù)是主要研究報(bào)道的技術(shù)方法。

在太赫茲檢測技術(shù)方面，德國的BECKER等[41]報(bào)道了高溫輕質(zhì)材料的3D太赫茲成像檢測方法。波蘭的CHADY等[42]利用太赫茲技術(shù)對玻璃纖維復(fù)合材料板材和管材分別進(jìn)行了二維、三維成像檢測，并與X射線和紅外熱像檢測技術(shù)進(jìn)行了對比分析（如圖9），提出太赫茲技術(shù)在復(fù)合材料缺陷檢測方面具有一定優(yōu)勢和應(yīng)用前景，但是目前在檢測數(shù)據(jù)處理方法和高效掃描方法方面需要進(jìn)一步研究，以提高其檢測性能。

圖9  太赫茲、X射線、紅外檢測復(fù)合材料分層對比分析

在金屬磁記憶檢測技術(shù)方面，德國的YOUSSEF等[43]報(bào)道了一種基于更為輕量、小型的磁量探測器的鐵磁性管材磁記憶檢測方法MFD（Magnetic Field Distortion），該方法利用鐵磁性材料表面幾何形變導(dǎo)致的磁場扭曲效應(yīng)表征近探測器側(cè)的結(jié)構(gòu)表面缺陷，與常用的磁通量泄漏方法MFL（Magnetic Flux Leakage）相比，具有更高的缺陷尺寸定量精度和空間、型面適應(yīng)性，并可與MFL方法組合應(yīng)用（檢測裝置如圖10），進(jìn)而檢測鐵磁性管材內(nèi)外兩側(cè)缺陷并分辨缺陷位置。

圖10  MFD/MFL組合檢測系統(tǒng)PipeFlux

1.5  機(jī)器人輔助檢測方法

在機(jī)器人輔助檢測方面，德國的EBERHORN等[44]報(bào)道了一種基于單臂關(guān)節(jié)機(jī)器人的射線層析成像檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一臺六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人拾取各種構(gòu)件將其送至檢測工位并帶動構(gòu)件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動完成掃描成像（如圖11），這種方式簡化了射線層析成像檢測系統(tǒng)的機(jī)械復(fù)雜度并具有更高靈活性。

法國的BANJAK等[45]報(bào)道了基于主從雙臂關(guān)節(jié)機(jī)器人的X射線層析成像檢測系統(tǒng)（如圖12），該系統(tǒng)采用兩臺機(jī)器人分別控制射線源和探測器按構(gòu)件型面預(yù)設(shè)軌跡作掃描運(yùn)動并重構(gòu)三維圖，具有良好的靈活性和可控性，適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自動掃描檢測。瑞典的VAN DEN BOS和英國的MALLION等[46]報(bào)道了基于機(jī)器人技術(shù)的視覺、超聲、渦流檢測方法在石油壓力容器結(jié)構(gòu)自動化檢測中的應(yīng)用（如圖13）。

圖11  基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的射線層析成像檢測系統(tǒng)

圖12  基于雙臂關(guān)節(jié)機(jī)器人的射線層析成像檢測系統(tǒng)

德國的ADEBAHR等[47]報(bào)道了一種基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)（如圖14），該系統(tǒng)與圖6所示系統(tǒng)采用了相同的技術(shù)框架：采用同側(cè)傾斜布置的兩個(gè)空氣耦合超聲換能器分別激勵和接收超聲蘭姆波檢測缺陷，并采用六軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人作為掃描執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維仿形掃描成像檢測。

此外，如前所述，西班牙的CUEVAS等[14]報(bào)道的新型空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)和激光超聲檢測系統(tǒng)也采用了關(guān)節(jié)型機(jī)器人作為仿形掃描執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如圖3、圖5），具有更好的靈活性和可控性，更易于實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜型面構(gòu)件的自動化掃描檢測。

圖13  基于機(jī)器人技術(shù)的視覺、超聲、渦流檢測方法

圖14  基于關(guān)節(jié)機(jī)器人的空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)